Atomikello: laite satelliitti- ja navigointijärjestelmien ajan mittaamiseen.

Viime vuonna 2012 tuli kuluneeksi 45 vuotta siitä, kun ihmiskunta päätti käyttää atomiajan mittausta ajan mittaamiseen mahdollisimman tarkasti. Vuonna 1967 kansainvälistä aikaluokkaa ei enää määrätä tähtitieteellisillä asteikoilla - ne korvattiin cesiumin taajuusstandardilla. Hän sai nyt suositun nimen - atomikellot. Niiden avulla voit määrittää tarkan ajan, jonka virhe on yksi sekunti kolmessa miljoonassa vuodessa, joten niitä voidaan käyttää aikastandardina missä tahansa maailman kolkassa.

Hieman historiaa

Ajatuksen atomivärähtelyjen käyttämisestä erittäin tarkkaan ajan mittaamiseen ilmaisi ensimmäisen kerran brittiläinen fyysikko William Thomson vuonna 1879. Resonaattoriatomien emitterin roolissa tämä tiedemies ehdotti vedyn käyttöä. Ensimmäiset yritykset toteuttaa ideaa tehtiin vasta 1940-luvulla. kahdeskymmenes vuosisata. Ja maailman ensimmäinen toimiva atomikello ilmestyi vuonna 1955 Isossa-Britanniassa. Niiden luoja oli brittiläinen kokeellinen fyysikko tohtori Louis Essen. Tämä kello toimi cesium-133-atomien värähtelyjen perusteella, ja niiden ansiosta tiedemiehet pystyivät lopulta mittaamaan aikaa paljon aiempaa tarkemmin. Essenin ensimmäinen laite salli enintään sekunnin virheen sadan vuoden välein, mutta myöhemmin se moninkertaistui ja virhe sekuntia kohden voi kertyä vain 2-3 sadoissa miljoonissa vuosissa.

Atomikello: miten se toimii

Miten tämä nerokas "laite" toimii? Resonanssitaajuusgeneraattorina atomikellot käyttävät molekyylejä tai atomeja kvanttitasolla. muodostaa yhteyden järjestelmän "atomiydin - elektronit" välille useilla erillisillä energiatasoilla. Jos tällainen järjestelmä vaikuttaa tiukasti määritellyllä taajuudella, tämän järjestelmän siirtyminen matalalta tasolta korkealle tapahtuu. Käänteinen prosessi on myös mahdollinen: atomin siirtyminen korkeammalta tasolta alemmalle, johon liittyy energian päästö. Näitä ilmiöitä voidaan hallita ja tallentaa kaikkia energiahyppyjä luomalla jotain värähtelevän piirin kaltaista (tätä kutsutaan myös atomioskillaattoriksi). Sen resonanssitaajuus vastaa viereisten atomien siirtymätasojen välistä energiaeroa jaettuna Planckin vakiolla.

Tällaisella värähtelevällä piirillä on kiistattomia etuja mekaanisiin ja tähtitieteellisiin edeltäjiinsä verrattuna. Yhdelle tällaiselle atomioskillaattorille minkä tahansa aineen atomien resonanssitaajuus on sama, mitä ei voida sanoa heilureista ja pietsokiteistä. Lisäksi atomit eivät muuta ominaisuuksiaan ajan myötä eivätkä kulu. Siksi atomikellot ovat erittäin tarkkoja ja lähes ikuisia kronometrejä.

Tarkka aika ja moderni tekniikka

Tietoliikenneverkot, satelliittiviestintä, GPS, NTP-palvelimet, sähköiset tapahtumat pörssissä, online-huutokaupat, menettely lippujen ostamiseksi Internetin kautta - kaikki nämä ja monet muut ilmiöt ovat jo pitkään vakiintuneet elämäämme. Mutta jos ihmiskunta ei olisi keksinyt atomikelloa, kaikkea tätä ei yksinkertaisesti olisi tapahtunut. Tarkka aika, synkronointi, jonka avulla voit minimoida mahdolliset virheet, viiveet ja viiveet, mahdollistaa sen, että ihminen saa kaiken irti tästä korvaamattomasta resurssista, jota ei ole koskaan liikaa.

Sensaatio on levinnyt ympäri tieteellistä maailmaa - aika haihtuu universumistamme! Toistaiseksi tämä on vain espanjalaisten astrofyysikkojen hypoteesi. Mutta se tosiasia, että ajan virtaus maan päällä ja avaruudessa on erilaista, ovat jo tutkijat todistaneet. Aika virtaa hitaammin painovoiman vaikutuksesta ja kiihtyy, kun siirryt pois planeetalta. Maanpäällisen ja kosmisen ajan synkronointitehtävä suoritetaan vetytaajuusstandardeilla, joita kutsutaan myös "atomikelloiksi".

Ensimmäinen atomiaika ilmestyi astronautiikan myötä; atomikellot ilmestyivät 1920-luvun puolivälissä. Nyt atomikellot ovat yleistyneet, ja jokainen meistä käyttää niitä päivittäin: ne toimivat digitaalisen viestinnän, GLONAS-järjestelmän, navigoinnin ja liikenteen kanssa.

Matkapuhelinten omistajat tuskin ajattelevat, kuinka paljon työtä avaruudessa tehdään tiukan aikasynkronoinnin vuoksi, mutta puhumme vain sekunnin miljoonasosista.

Tarkan ajan standardi on tallennettu Moskovan alueelle, fysikaalis-teknisten ja radioteknisten mittausten tieteelliseen instituuttiin. Tällaisia ​​kelloja on maailmassa 450.

Venäjä ja USA ovat atomikellojen monopolit, mutta USA:ssa kellot toimivat ympäristölle erittäin haitallisen radioaktiivisen metallin cesiumin pohjalta ja Venäjällä vedyn pohjalta turvallisemman kestävän materiaalin pohjalta.

Tässä kellossa ei ole kellotaulua ja osoittimia: se näyttää suurelta tynnyriltä, ​​jotka on valmistettu harvinaisista ja arvokkaista metalleista, täytetty edistyneimmällä tekniikalla - erittäin tarkoilla mittauslaitteilla ja laitteistoilla, joilla on atomistandardit. Niiden luomisprosessi on erittäin pitkä, monimutkainen ja tapahtuu ehdottoman steriiliyden olosuhteissa.

4 vuoden ajan venäläiseen satelliittiin asennettu kello on tutkinut pimeää energiaa. Ihmisten mittareiden mukaan ne menettävät tarkkuutensa 1 sekunnissa useissa miljoonissa vuosissa.

Hyvin pian atomikello asennetaan Spektr-M:ään, avaruusobservatorioon, joka näkee, kuinka tähdet ja eksoplaneetat muodostuvat, ja katsovat galaksimme keskellä olevan mustan aukon reunan ulkopuolelle. Tiedemiesten mukaan hirviömäisen painovoiman vuoksi aika virtaa täällä niin hitaasti, että se melkein pysähtyy.

tvroskosmos

Ketkä "kellosepät" keksivät ja viimeistelivät tämän erittäin tarkan liikkeen? Onko hänelle korvaavaa? Yritetään selvittää se.

Vuonna 2012 atomikello täyttää 45 vuotta. Vuonna 1967 kansainvälisen yksikköjärjestelmän ajan luokkaa alettiin määrittää ei tähtitieteellisillä asteikoilla, vaan cesiumin taajuusstandardilla. Tavalliset ihmiset kutsuvat sitä atomikelloksi.

Mikä on atomioskillaattorien toimintaperiaate? Resonanssitaajuuden lähteenä nämä "laitteet" käyttävät atomien tai molekyylien kvanttienergiatasoja. Kvanttimekaniikka yhdistää useita erillisiä energiatasoja "atomiydin-elektroni" -järjestelmään. Tietyn taajuuden sähkömagneettinen kenttä voi aiheuttaa tämän järjestelmän siirtymisen matalalta tasolta korkeammalle. Myös käänteinen ilmiö on mahdollinen: atomi voi siirtyä korkealta energiatasolta alemmalle energian emission avulla. Molempia ilmiöitä voidaan ohjata ja näitä energiatasojen välisiä hyppyjä voidaan korjata, mikä luo värähtelypiirin vaikutelman. Tämän piirin resonanssitaajuus on yhtä suuri kuin kahden siirtymätason välinen energiaero jaettuna Planckin vakiolla.

Tuloksena olevalla atomioskillaattorilla on kiistattomia etuja tähtitieteellisiin ja mekaanisiin edeltäjiinsä verrattuna. Oskillaattoriksi valitun aineen kaikkien atomien resonanssitaajuus on sama, toisin kuin heilurien ja pietsokiteiden. Lisäksi atomit eivät kulu eivätkä muuta ominaisuuksiaan ajan myötä. Ihanteellinen vaihtoehto lähes ikuiselle ja erittäin tarkalle kronometrille.

Ensimmäistä kertaa mahdollisuutta käyttää tasojen välisiä energiasiirtymiä atomeissa taajuusstandardina harkitsi jo vuonna 1879 brittiläinen fyysikko William Thomson, joka tunnetaan paremmin nimellä Lord Kelvin. Hän ehdotti vedyn käyttöä resonaattoriatomien lähteenä. Hänen tutkimuksensa oli kuitenkin luonteeltaan enemmän teoreettista. Tuon ajan tiede ei ollut vielä valmis kehittämään atomikronometria.

Kesti melkein sata vuotta, ennen kuin Lordi Kelvinin idea toteutui. Se kesti kauan, mutta tehtävä ei myöskään ollut helppo. Atomien muuttaminen ihanteellisiksi heilureiksi osoittautui käytännössä vaikeammaksi kuin teoriassa. Vaikeus oli taistelussa niin sanotun resonanssileveyden kanssa - pieni vaihtelu energian absorption ja emission taajuudessa atomien siirtyessä tasolta toiselle. Resonanssitaajuuden suhde resonanssin leveyteen määrää atomioskillaattorin laadun. Ilmeisesti mitä suurempi resonanssileveyden arvo on, sitä huonompi on atomiheilurin laatu. Valitettavasti resonanssitaajuutta ei ole mahdollista kasvattaa laadun parantamiseksi. Se on vakio kunkin tietyn aineen atomeille. Mutta resonanssin leveyttä voidaan pienentää lisäämällä atomien havaintoaikaa.

Teknisesti tämä voidaan saavuttaa seuraavasti: anna ulkoisen, esimerkiksi kvartsin, oskillaattorin tuottaa ajoittain sähkömagneettista säteilyä, joka pakottaa luovuttavan aineen atomit hyppäämään energiatasojen yli. Tässä tapauksessa atomikronografin virittimen tehtävänä on tämän kvartsioskillaattorin taajuuden suurin approksimaatio atomien tasojen välisen siirtymän resonanssitaajuuteen. Tämä tulee mahdolliseksi, jos atomien värähtelyjä tarkkaillaan riittävän pitkään ja syntyy kvartsin taajuutta säätelevä takaisinkytkentä.

Totta, atomikronografin resonanssileveyden pienentämisongelman lisäksi on monia muita ongelmia. Tämä on Doppler-ilmiö - resonanssitaajuuden muutos, joka johtuu atomien liikkeestä ja atomien keskinäisistä törmäyksistä, mikä aiheuttaa suunnittelemattomia energiasiirtymiä ja jopa pimeän aineen kaikkialle läpäisevän energian vaikutuksen.

Ensimmäistä kertaa atomikellojen käytännön toteuttamista yrittivät viime vuosisadan 30-luvulla Columbian yliopiston tutkijat tulevan Nobel-palkitun tohtori Isidore Rabin johdolla. Rabi ehdotti cesiumin isotoopin 133 Cs käyttöä heiluriatomien lähteenä. Valitettavasti NBS:ää suuresti kiinnostanut Rabin työ keskeytti toisen maailmansodan.

Sen valmistumisen jälkeen mestaruus atomikronografin toteutuksessa siirtyi NBS:n työntekijälle Harold Lyonsille. Hänen atomioskillaattorinsa työskenteli ammoniakilla ja antoi virheen, joka vastasi parhaita kvartsiresonaattoreita. Vuonna 1949 ammoniakkiatomikelloja esiteltiin suurelle yleisölle. Melko keskinkertaisesta tarkkuudesta huolimatta he toteuttivat atomikronografien tulevien sukupolvien perusperiaatteet.

Louis Essenin hankkiman cesiumatomikellon prototyypin tarkkuus oli 1 * 10 -9, kun taas resonanssin leveys oli vain 340 hertsiä.

Hieman myöhemmin Harvardin yliopiston professori Norman Ramsey paransi Isidore Rabin ideoita vähentäen vaikutusta Doppler-ilmiön mittausten tarkkuuteen. Hän ehdotti yhden pitkän korkeataajuisen atomien virittävän pulssin sijasta kahta lyhyttä pulssia, jotka lähetetään aaltoputken käsivarsille jonkin etäisyyden päässä toisistaan. Tämä mahdollisti resonanssin leveyden jyrkän pienentämisen ja mahdollisti itse asiassa atomioskillaattorien luomisen, jotka ovat suuruusluokkaa parempia kuin niiden kvartsi-esivanhemmat tarkkuudella.

Viime vuosisadan 50-luvulla Norman Ramseyn ehdottaman suunnitelman perusteella National Physical Laboratoryssa (Iso-Britannia) sen työntekijä Louis Essen työskenteli atomioskillaattorilla, joka perustui Rabin aiemmin ehdottamaan cesiumin isotooppiin 133 Cs. Cesiumia ei valittu sattumalta.

Kaavio cesium-133-isotoopin atomien hyperhienoista siirtymätasoista

Alkalimetallien ryhmään kuuluvat cesiumatomit ovat erittäin helposti kiihtyneitä hyppäämään energiatasojen välillä. Joten esimerkiksi valonsäde pystyy helposti lyömään elektronivirran cesiumin atomirakenteesta. Tästä ominaisuudesta johtuen cesiumia käytetään laajalti valodetektoreissa.

Klassisen cesiumoskillaattorin laite, joka perustuu Ramsey-aaltoputkeen

Ensimmäinen virallinen cesiumin taajuusstandardi NBS-1

NBS-1:n jälkeläinen - NIST-7-oskillaattori käytti cesiumatomisäteen laserpumppausta

Kesti yli neljä vuotta ennen kuin Essenin prototyypistä tuli todellinen standardi. Loppujen lopuksi atomikellojen hienosäätö oli mahdollista vain verrattuna olemassa oleviin efemeridiaikayksiköihin. Atomioskillaattoria kalibroitiin neljän vuoden ajan tarkkailemalla Kuun pyörimistä Maan ympäri käyttäen tarkinta kuun kameraa, jonka William Markowitz US Naval Observatorysta oli keksinyt.

Atomikellojen "säätö" kuun efemeriidiin suoritettiin vuosina 1955-1958, minkä jälkeen NBS tunnusti laitteen virallisesti taajuusstandardiksi. Lisäksi cesiumin atomikellojen ennennäkemätön tarkkuus sai NBS:n muuttamaan aikayksikköä SI-standardissa. Vuodesta 1958 lähtien "9 192 631 770 säteilyjakson kesto, joka vastaa siirtymää cesium-133-isotooppiatomin standarditilan kahden hyperhienon tason välillä" on virallisesti hyväksytty toiseksi.

Louis Essenin laite sai nimen NBS-1 ja sitä pidettiin ensimmäisenä cesiumin taajuusstandardina.

Seuraavien 30 vuoden aikana NBS-1:stä kehitettiin kuusi muunnelmaa, joista viimeisin, vuonna 1993 luotu NIST-7, joka luotiin korvaamalla magneetit laserloukuilla, tarjoaa tarkkuuden 5 * 10 -15 ja resonanssin leveyttä vain. kuusikymmentäkaksi hertsiä.

NBS:n käyttämien cesiumin taajuusstandardien ominaisuuksien vertailutaulukko

NBS-laitteet ovat kiinteitä testipenkkejä, joten ne voidaan luokitella enemmän standardeiksi kuin käytännössä käytetyiksi oskillaattoriksi. Mutta puhtaasti käytännön syistä Hewlett-Packard on työskennellyt cesiumtaajuusstandardin hyväksi. Vuonna 1964 tuleva tietokonejätti loi kompaktin version cesiumtaajuusstandardista - HP 5060A -laitteen.

NBS-standardeilla kalibroidut HP 5060 -taajuusstandardit sopivat tyypilliseen radiolaitetelineeseen ja olivat kaupallinen menestys. Hewlett-Packardin asettaman cesiumin taajuusstandardin ansiosta atomikellojen ennennäkemätön tarkkuus meni massoille.

Hewlett-Packard 5060A.

Tämän seurauksena muun muassa satelliittitelevisio ja -viestintä, globaalit navigointijärjestelmät ja tietoverkkojen ajan synkronointipalvelut tulivat mahdollisiksi. Atomikronografitekniikalla oli monia sovelluksia teolliseen suunnitteluun. Samaan aikaan Hewlett-Packard ei pysähtynyt tähän vaan jatkuvasti parantamaan cesiumstandardien laatua ja niiden paino- ja kokoindikaattoreita.

Hewlett-Packardin atomikellot

Vuonna 2005 Hewlett-Packardin atomikellodivisioona myytiin Simmetricomille.

Cesiumin ohella, jonka luonnonvarat ovat hyvin rajalliset ja sen kysyntä eri tekniikan aloilla on erittäin suuri, luovuttajaaineena käytettiin rubidiumia, joka on ominaisuuksiltaan hyvin lähellä cesiumia.

Näyttää siltä, ​​​​että olemassa oleva atomikellojen järjestelmä on saatettu täydelliseksi. Sillä välin sillä oli valitettava haittapuoli, jonka poistaminen tuli mahdolliseksi toisen sukupolven cesiumtaajuusstandardeissa, joita kutsutaan cesium-suihkulähteiksi.

Ajan ja optisen melassin suihkulähteitä

Huolimatta cesiumatomien tilan laserilmaisua käyttävän NIST-7-atomikronometrin korkeimmasta tarkkuudesta, sen järjestelmä ei pohjimmiltaan eroa cesiumtaajuusstandardien ensimmäisten versioiden kaavioista.

Ja kaikkien näiden järjestelmien suunnitteluvirhe on, että on pohjimmiltaan mahdotonta hallita aaltoputkessa liikkuvan cesiumatomisäteen etenemisnopeutta. Ja tämä huolimatta siitä, että cesiumatomien liikenopeus huoneenlämpötilassa on sata metriä sekunnissa. Melko nopeasti.

Siksi kaikki cesiumstandardien modifikaatiot ovat tasapainon etsintää aaltoputken koon, jolla on aikaa vaikuttaa nopeisiin cesiumatomeihin kahdessa kohdassa, ja tämän vaikutuksen tulosten havaitsemistarkkuuden välillä. Mitä pienempi aaltoputki on, sitä vaikeampaa on saada aikaan peräkkäisiä sähkömagneettisia pulsseja, jotka vaikuttavat samoihin atomeihin.

Mutta entä jos löydämme tavan vähentää cesiumatomien liikkumisnopeutta? Juuri tästä ajatuksesta huolehti Massachusetts Institute of Technologyn opiskelija Jerrold Zaharius, joka tutki painovoiman vaikutusta atomien käyttäytymiseen viime vuosisadan 40-luvun lopulla. Myöhemmin, osallistuen cesiumtaajuusstandardin Atomichronin muunnelman kehittämiseen, Zacharius ehdotti ideaa cesium-suihkulähteestä - menetelmästä cesiumatomien nopeuden vähentämiseksi yhteen senttimetriin sekunnissa ja eroon kaksihaaraisesta aaltoputkesta. perinteisistä atomioskillaattorista.

Zakariuksen idea oli yksinkertainen. Entä jos käytät cesiumatomeja oskillaattorin sisällä pystysuorassa? Sitten samat atomit kulkevat ilmaisimen läpi kahdesti: ensimmäisen kerran matkustaessaan ylös ja toisen kerran alas, missä ne ryntäävät painovoiman vaikutuksesta. Samaan aikaan atomien liike alaspäin on paljon hitaampaa kuin niiden nousu, koska matkan aikana suihkulähteessä ne menettävät energiaa. Valitettavasti viime vuosisadan 50-luvulla Zacharius ei voinut toteuttaa ideoitaan. Hänen kokeellisissa asetuksissaan ylöspäin liikkuvat atomit olivat vuorovaikutuksessa alas putoavien kanssa, mikä heikensi havaitsemisen tarkkuutta.

Ajatus Zakariuksesta palasi vasta 80-luvulla. Steven Chun johtamat Stanfordin yliopiston tutkijat ovat löytäneet tavan toteuttaa Zacharius-suihkulähde tekniikalla, jota he kutsuvat "optiseksi melassiksi".

Chu cesium-suihkulähteessä ylöspäin sytytettyä cesiumatomien pilveä esijäähdytetään järjestelmällä, joka koostuu kolmesta vastakkaiseen suuntaan suunnatuista lasereista, joiden resonanssitaajuus on juuri cesiumatomien optisen resonanssin alapuolella.

Kaavio cesium-suihkulähteestä optisella melassilla.

Laserilla jäähdytettynä cesiumatomit alkavat liikkua hitaasti, ikään kuin melassin läpi. Niiden nopeus putoaa kolmeen metriin sekunnissa. Atomien nopeuden vähentäminen antaa tutkijoille mahdollisuuden havaita tilaa tarkemmin (kilometrin tunnissa liikkuvan auton numerot on paljon helpompi nähdä kuin sadan kilometrin tuntinopeudella liikkuvan auton numerot).

Jäähdytettyjen cesiumatomien pallo laukaistaan ​​ylös noin metrin korkeudella ohittaen matkan varrella aaltoputken, jonka läpi resonanssitaajuinen sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa atomeihin. Ja järjestelmän ilmaisin tallentaa atomien tilan muutoksen ensimmäistä kertaa. Saavutettuaan "katon" jäähtyneet atomit alkavat pudota painovoiman vaikutuksesta ja kulkevat aaltoputken läpi toisen kerran. Paluumatkalla ilmaisin tallentaa jälleen heidän tilansa. Koska atomit liikkuvat äärimmäisen hitaasti, niiden lento melko tiheän pilven muodossa on helppo hallita, mikä tarkoittaa, että suihkulähteessä ei lennä yhtä aikaa ylös ja alas atomeja.

NBS hyväksyi Chun cesium-suihkulähteen taajuusstandardiksi vuonna 1998 ja nimettiin NIST-F1:ksi. Sen virhe oli 4 * 10 -16, mikä tarkoittaa, että NIST-F1 oli tarkempi kuin edeltäjänsä NIST-7.

Itse asiassa NIST-F1 saavutti tarkkuusrajan cesiumatomien tilan mittauksessa. Mutta tutkijat eivät pysähtyneet tähän voittoon. He päättivät poistaa atomikellojen työhön aiheuttaman virheen täysin mustan kappaleen säteilyllä - seurausta cesiumatomien vuorovaikutuksesta sen laitoksen rungon lämpösäteilyn kanssa, jossa ne liikkuvat. Uudessa NIST-F2-atomikronografissa cesium-suihkulähde asetettiin kryogeeniseen kammioon, mikä pienensi mustan kappaleen säteilyn lähes nollaan. NIST-F2-virhemarginaali on uskomaton 3*10 -17.

Kaavio cesiumin taajuusstandardien muunnelmien virheenvähennyksestä

Tällä hetkellä cesium-suihkulähteisiin perustuvat atomikellot antavat ihmiskunnalle tarkimman aikastandardin, johon verrattuna teknogeenisen sivilisaatiomme pulssi lyö. Teknisten temppujen ansiosta NIST-F1:n ja NIST-F2:n kiinteiden versioiden cesiumatomeja jäähdyttävät pulssivetymaserit on korvattu tavanomaisella lasersäteellä, joka on yhdistetty magneto-optiseen järjestelmään. Tämä mahdollisti kompaktien ja erittäin kestävien versioiden luomisen NIST-Fx-standardeista, jotka pystyivät toimimaan avaruusaluksissa. Osuvasti nimetty "Aerospace Cold Atom Clock", nämä taajuusstandardit on asetettu navigointijärjestelmien, kuten GPS:n, satelliitteihin, mikä varmistaa niiden hämmästyttävän synkronoinnin ratkaisemaan gadgeteissamme käytettyjen GPS-vastaanottimien koordinaattien erittäin tarkan laskennan ongelman.

GPS-satelliiteissa käytetään kompaktia versiota cesium-suihkulähteen atomikellosta, nimeltä "Aerospace Cold Atom Clock".

Viiteajan laskennan suorittaa kymmenestä NIST-F2:sta koostuva "yhtye", joka sijaitsee eri tutkimuskeskuksissa yhteistyössä NBS:n kanssa. Atomiskunnin tarkka arvo saadaan kollektiivisesti ja näin eliminoidaan erilaiset virheet ja inhimillisen tekijän vaikutus.

On kuitenkin mahdollista, että jonain päivänä jälkeläisemme pitävät cesiumin taajuusstandardia erittäin karkeana mekanismina ajan mittaamiseen, aivan kuten me nyt katsomme alentuvasti heilurin liikkeitä esi-isiemme mekaanisissa isoisäkelloissa.

Usein kuulemme lauseen, että atomikellot näyttävät aina tarkan ajan. Mutta heidän nimensä perusteella on vaikea ymmärtää, miksi atomikellot ovat tarkimpia tai miten ne toimivat.

Se, että nimessä on sana "atomi", ei tarkoita ollenkaan, että kello olisi hengenvaara, vaikka mieleen tulisi heti ajatukset atomipommista tai ydinvoimalasta. Tässä tapauksessa puhumme vain kellon periaatteesta. Jos tavallisessa mekaanisessa kellossa hammaspyörät tekevät värähteleviä liikkeitä ja niiden liikkeet lasketaan, niin atomikelloissa lasketaan atomien sisällä olevien elektronien värähtelyt. Ymmärtääksemme paremmin toimintaperiaatetta, muistetaan alkuainehiukkasten fysiikka.

Kaikki aineet maailmassamme koostuvat atomeista. Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protonit ja neutronit yhdistyvät toisiinsa muodostaen ytimen, jota kutsutaan myös nukleoniksi. Elektronit liikkuvat ytimen ympärillä, joka voi olla eri energiatasoilla. Mielenkiintoisinta on, että absorboiessaan tai luovuttaessaan energiaa elektroni voi siirtyä energiatasostaan ​​korkeammalle tai alemmalle tasolle. Elektroni voi vastaanottaa energiaa sähkömagneettisesta säteilystä absorboimalla tai emittoimalla tietyntaajuista sähkömagneettista säteilyä jokaisessa siirtymässä.

Useimmiten on kelloja, joissa elementin Cesium -133 atomeja käytetään muuttumaan. Jos 1 sekunnissa heiluri tavalliset tunnit tekee 1 värähtelevän liikkeen, sitten elektronit atomikelloissa Cesium-133:een perustuen, siirtyessään energiatasolta toiselle ne lähettävät sähkömagneettista säteilyä taajuudella 9192631770 Hz. Osoittautuu, että yksi sekunti jaetaan täsmälleen tähän määrään intervalleja, jos se lasketaan atomikelloina. Kansainvälinen yhteisö hyväksyi tämän arvon virallisesti vuonna 1967. Kuvittele valtava kellotaulu, jossa ei ole 60, vaan 9192631770 jakoa, jotka ovat vain 1 sekunti. Ei ole yllättävää, että atomikellot ovat niin tarkkoja ja niillä on useita etuja: atomit eivät vanhene, eivät kulu, ja värähtelytaajuus on aina sama yhdelle kemialliselle alkuaineelle, minkä ansiosta on mahdollista samanaikaisesti vertailla , esimerkiksi atomikellojen lukemat kaukana avaruudessa ja maan päällä, ei pelkää virheitä.

Atomikellojen ansiosta ihmiskunta pystyi käytännössä testaamaan suhteellisuusteorian oikeellisuutta ja varmistamaan sen, kuin maan päällä. Atomikellot on asennettu moniin satelliitteihin ja avaruusaluksiin, niitä käytetään tietoliikennetarpeisiin, matkaviestintään, ne vertaavat tarkkaa aikaa koko planeetalla. Ilman liioittelua, juuri atomikellon keksimisen ansiosta ihmiskunta pääsi korkean teknologian aikakauteen.

Kuinka atomikellot toimivat?

Cesium-133 kuumennetaan haihduttamalla cesiumatomeja, jotka johdetaan magneettikentän läpi, josta valitaan atomit, joilla on haluttu energiatila.

Sitten valitut atomit kulkevat magneettikentän läpi, jonka taajuus on lähellä 9192631770 Hz, mikä luo kvartsioskillaattorin. Kentän vaikutuksesta cesiumatomit muuttavat taas energiatilojaan ja putoavat ilmaisimen päälle, joka kiinnittää milloin suurimmalla määrällä saapuvia atomeja on "oikea" energiatila. Atomien enimmäismäärä muuttuneella energiatilalla osoittaa, että mikroaaltokentän taajuus on valittu oikein, ja sitten sen arvo syötetään elektroniseen laitteeseen - taajuudenjakajaan, joka pienentämällä taajuutta kokonaislukumäärällä saa numero 1, joka on viite toinen.

Siten cesiumatomeja käytetään tarkistamaan kideoskillaattorin tuottaman magneettikentän oikea taajuus, mikä auttaa pitämään sen vakiona.

Se on kiinnostavaa: vaikka nykyiset atomikellot ovatkin ennennäkemättömän tarkkoja ja voivat toimia ilman virheitä miljoonia vuosia, fyysikot eivät aio lopettaa tähän. Käyttämällä eri kemiallisten alkuaineiden atomeja he työskentelevät jatkuvasti parantaakseen atomikellojen tarkkuutta. Uusimmista keksinnöistä - atomikellot päällä strontium, jotka ovat kolme kertaa tarkempia kuin niiden cesiumvastineet. Heiltä menisi 15 miljardia vuotta ollakseen vain sekunnin jäljessä – aikaa pidempään kuin maailmankaikkeutemme ikä...

Jos löydät virheen, korosta tekstinpätkä ja napsauta Ctrl+Enter.

Columbian yliopiston fysiikan professori Isidore Rabi ehdotti ennennäkemätöntä projektia: kelloa, joka toimii magneettisen resonanssin atomisäteen periaatteella. Tämä tapahtui vuonna 1945, ja jo vuonna 1949 National Bureau of Standards julkaisi ensimmäisen toimivan prototyypin. Se lukee ammoniakkimolekyylin värähtelyjä. Cesium tuli liiketoimintaan paljon myöhemmin: NBS-1-malli ilmestyi vasta vuonna 1952.

Englannin kansallinen fysikaalinen laboratorio loi ensimmäisen cesium-sädekellon vuonna 1955. Yli kymmenen vuotta myöhemmin yleisen paino- ja mittakonferenssin aikana esiteltiin edistyneempi kello, joka myös perustui cesiumatomin värähtelyihin. NBS-4-mallia käytettiin vuoteen 1990 asti.

Kellotyypit

Tällä hetkellä on olemassa kolmenlaisia ​​atomikelloja, jotka toimivat suunnilleen samalla periaatteella. Cesiumkello, tarkin, erottaa cesiumatomin magneettikentällä. Yksinkertaisin atomikello, rubidiumkello, käyttää rubidiumkaasua lasikupussa. Ja lopuksi vetyatomikellot ottavat vertailupisteeksi vetyatomeja, jotka on suljettu erityismateriaalin kuoreen - se ei anna atomien menettää nopeasti energiaa.

Paljonko kello on nyt

Vuonna 1999 Yhdysvaltain kansallinen standardi- ja teknologiainstituutti (NIST) ehdotti vielä edistyneempää versiota atomikellosta. NIST-F1-mallin virhe on vain yksi sekunti 20 miljoonassa vuodessa.

Tarkin

Mutta NIST-fyysikot eivät pysähtyneet tähän. Tiedemiehet päättivät kehittää uuden kronometrin, joka tällä kertaa perustuu strontiumatomeihin. Uusi kello toimii 60 prosentilla edellisestä mallista, mikä tarkoittaa, että se menettää yhden sekunnin ei kahdessakymmenessä miljoonassa vuodessa, vaan jopa viidessä miljardissa vuodessa.

Ajan mittaus

Kansainvälinen sopimus on määrittänyt ainoan tarkan taajuuden cesiumhiukkasen resonanssille. Tämä on 9 192 631 770 hertsiä - lähtösignaalin jakaminen tällä luvulla antaa täsmälleen yhden syklin sekunnissa.